Department Department Department Department Department Department Department

Δημήτρης Κουζουδης

Αναπληρωτής Καθηγητής
Επιστήμης & Τεχνολογίας Υλικών
+30 2610 996880
+30 2610 996260
kouzoudi@upatras.gr

Google Scholar Citations Profile:
kouzoudis's picture

Στοιχεία Βιογραφικού

  • Πτυχίο Φυσικής, Πανεπιστήμιο Ιωαννίνων, 1990
  • Μεταπτυχιακό Δίπλωμα Φυσικής / Επιστήμης των Υλικών, Iowa State University, Ηνωμένες Πολιτείες 1994
  • Διδακτορικό  Δίπλωμα, Iowa State University, Ηνωμένες Πολιτείες 1998 

 

Η έρευνά μου τα τελευταία δέκα χρόνια επικεντρώνεται στο σχεδιασμό και την ανάπτυξη αισθητήρων απομακρυσμένης πρόσβασης που αποτελούνται από επιλεκτικά ανόργανα στρώματα (π.χ. στρώματα ζεόλιθου, TiO2, κλπ) επάνω σε μαγνητοελαστικά υλικά.
 
Οι αισθητήρες είναι συσκευές μεγέθους της τάξεως του μικρού οι οποίες παράγουν ένα ηλεκτρικό σήμα σε απόκριση της μεταβολής μιας φυσικής παραμέτρου του περιβάλλοντος όπως η υγρασία, η πίεση, η συγκέντρωση αερίου, κλπ.
 
Τα μαγνητοελαστικά υλικά είναι ένας ιδιαίτερος τύπος μαλακών σιδηρομαγνητικών υλικών τα οποία παραμορφώνονται (μεταβάλλουν το σχήμα τους) κάτω από την εφαρμογή ενός εξωτερικού μαγνητικού πεδίου. Μπορούν να ρυθμιστούν έτσι ώστε να συντονίζονται με την εφαρμογή ενός εναλλασσόμενου πεδίου. Η συχνότητα συντονισμού εξαρτάται από τις ιδιότητες του υλικού και τη γεωμετρία του. Οι αισθητήρες κατασκευάζονται με την σύνθεση των επιλεκτικών στρωμάτων επάνω σε μαγνητοελαστικά υμένια. Όταν η υπό-εξέταση φυσική περιβαλλοντική παράμετρος μεταβληθεί, το εκλεκτικό στρώμα αποκρίνεται μεταβάλλοντας τις ιδιότητες του μεταβάλλοντας ταυτόχρονα τη συχνότητα συντονισμού του μαγνητοελαστικού υμενίου. Ειδικά ηλεκτρονικά μπορούν να χρησιμοποιηθούν για την ανίχνευση της συχνότητας συντονισμού και κάτω από κατάλληλη βαθμονόμηση, η φυσική παράμετρος μπορεί να μετρηθεί με ακρίβεια.
 
Όπως μπορεί να φανεί και από τις σχετικές δημοσιεύσεις στην παρούσα ιστοσελίδα, η ερευνητική μας ομάδα  σχεδίασε αισθητήρες που χρησιμοποιήθηκαν για την ανίχνευση περιβαλλοντικών / χημικών / βιολογικών παραμέτρων, όπως

  • Συγκέντρωση αερίων (όπως CO2, N2, CH4 και άλλοι υδρογονάνθρακες,  πολικά μη πολικά μόρια).
  • Μικρές αυξήσεις μάζας.
  • Πίεση.
  • Ροή ρευστού.
  • Υγρασία.
  • Καθίζηση αλάτων σε υδάτινα διαλύματα (όπως μπρουσίτης και οξαλικό ασβέστιο)
  • Χρόνος πήξης αίματος.
  • Βιο-ιατρικές παραμέτρους  (όπως συγκέντρωση γλυκόζης).
  • Επιβλαβείς οργανικές ενώσεις

Τα σημαντικότερα πλεονεκτήματα των μαγνητοελαστικών αισθητήρων είναι

  • Οι πληροφορίες λαμβάνονται από απόσταση, χωρίς άμεσες φυσικές συνδέσεις, όπως καλώδια, ούτε τυχόν ειδικές απαιτήσεις ευθυγράμμισης.
  • Χαμηλό κόστος υλικού περίπου 0,01 € που επιτρέπει τη χρήση τους σε αναλώσιμη βάση.
  • Μικρές ποσότητες της τάξης των 10 μg μπορούν να μετρηθούν.
  • Δεν υπάρχει ανάγκη για μπαταρίες ή τροφοδοσία αφού ανταποκρίνονται φυσικά σε εναλλασσόμενα μαγνητικά πεδία.
  • Χρησιμοποιούνται χαμηλές συχνότητες (~ 100 kHz) που απαιτούν φθηνά ηλεκτρονικά.
  • Χρησιμοποιούνται χαμηλά μαγνητικά πεδία(~10 G DC, 100 mG AC).

 Πιθανές εφαρμογές

  • Εξαγωγή πληροφοριών από το σφραγισμένα εσωτερικά, αδιαφανή δοχεία, όπως συσκευασίες τροφίμων ή σωλήνες PVC.
  • Μέτρηση μικρο-ποσοτήτων μη επεμβατικά (μικροζυγός)
  • Αισθητήρες αερίων-υγρών
  • Παρακολούθηση του χρόνου αντίδρασης των διαφόρων διαδικασιών, όπως καθίζηση, σχηματισμός νέων ουσιών, σκλήρυνση υλικού.

Αρχή λειτουργείας

Οι Μαγνητοελαστικοί αισθητήρες λεπτών υμενίων μπορούν να θεωρηθούν ως το μαγνητικό ανάλογο μιας καμπάνας: σε απόκριση προς ένα εξωτερικά εφαρμοζόμενου μαγνητικού πεδίου, ο αισθητήρας «ηχεί» όπως ένα κουδούνι, εκπέμποντας τόσο μαγνητική ροή όσο και ακουστική ενέργεια με χαρακτηριστική συχνότητα συντονισμού. Η μαγνητική ροή ή η ακουστική ενέργεια μπορεί να ανιχνευθεί από απόσταση, εξωτερικά από περιοχή δοκιμής, χρησιμοποιώντας ένα πηνίο λήψης ή ένα μικρόφωνο. Από τις αλλαγές στην χαρακτηριστική συχνότητα συντονισμού του αισθητήρα, πολλαπλές περιβαλλοντικές παράμετροι μπορούν να μετρηθούν.





Remote query mechanism for magnetoelastic sensors


Σε συνδυασμό με μικροπορώδεις ανόργανες μεμβράνες με επιλεκτικές ιδιότητες προσρόφησης, τα μαγνητοελαστικά υμένια μπορούν να μετατραπούν σε ευαίσθητους βιο-χημικούς αισθητήρες. Ανάλογα με την εφαρμογή, οι μπορεί να είναι μεγέθους από μικρόμετρο έως και  διαστάσεων χιλιοστού.

Magnetoelastic thin-film sensor



Τρέχοντα Αποτελέσματα

Στις περισσότερες εφαρμογές, έχουμε χρησιμοποιήσει με επιτυχία μαγνητοελαστικούς αισθητήρες ως μικροζυγούς  για την παρακολούθηση αλλαγής μικρομαζών in-situ. Ωστόσο, στην περίπτωση όπου χρησιμοποιήθηκαν λεπτές μεμβράνες ζεόλιθου ως το εκλεκτικό στρώμα, ανακαλύψαμε ότι η προσρόφηση αερίου οδηγεί σε μεταβολές της εσωτερικής τάσης στον κρύσταλλο του ζεόλιθου και επομένως και στο σήμα του αισθητήρα. Αυτή η πληροφορία χρησιμοποιήθηκε, με τη βοήθεια θεωρητικών μοντέλων και υπολογιστικών τεχνικών για να εξαχθούν οι τιμές  αυτών των εσωτερικών τάσεων έναντι προσρόφηση διαφόρων αερίων. Τα αποτελέσματα είναι ενδιαφέροντα, επειδή εξηγούν διάφορες ιδιότητες των ζεολιθικών μεμβρανών που ήταν δύσκολο να εξηγηθούν πριν.

Μελλοντικά σχέδια

Η τεχνολογία των αισθητήρων έχει κάνει μεγάλες προόδους τα τελευταία είκοσι έτη, χάρη στη χρήση των νέων έξυπνων υλικών και τη βελτίωση του χαρακτηρισμού και σχεδιασμού των υλικών αυτών. Πιστεύω ότι η χρήση των μαγνητοελαστικών αισθητήρων δεν έχει αναπτυχθεί πλήρως και υπάρχει περισσότερη δουλειά ως προς τη χρήση τους για την τηλεπισκόπηση στο εσωτερικό σωλήνων, κλειστών δεξαμενών και άλλα περιβάλλοντα όπου η φυσική διείσδυση των καλωδίων δεν είναι δυνατή. Μεγάλο τους πλεονέκτημα είναι η μη καταστροφική και μη επεμβατική ανίχνευσή των ελαστικών ιδιοτήτων των υλικών.

Μελλοντικά, το εργαστήριό μας μπορεί να αναπτύξει τις εξής δυο τεχνολογίες:

1) Μη καταστροφική, in situ μέτρηση των εσωτερικών τάσεων σε περιστρεφόμενα πτερύγια κινητήρων αεροσκαφών, ενώ ο κινητήρας είναι σε πλήρη λειτουργία. Η υλοποίηση μιας τέτοιας ιδέας είναι δυνατή με την απομακρυσμένη φύση ανιχνεύσεως των μαγνητοελαστικών αισθητήρων, και ως εκ τούτου δεν υπάρχει ανάγκη για τη φυσική επαφή με τον αισθητήρα που μπορεί να τοποθετηθεί απευθείας στη λεπίδα. Η ανίχνευση είναι δυνατή με τη βοήθεια ενός εξωτερικου σταθερού πηνίου, δείτε το παρακάτω βίντεο (κάντε κλικ επάνω στην εικόνα):

 

2) Μη καταστρεπτική, in situ μέτρηση της εσωτερικής πίεσης των ρευστών σε κλειστά αεροστεγή περιβάλλοντα, όπως υγραέριο σε σωλήνες προκειμένου να καθοριστούν πιθανές διαρροές στο δίκτυο σωληνώσεων.
 

G. Samourgkanidis, D. Kouzoudis, “Experimental detection by magnetoelastic sensors and computationalanalysis with finite elements, of the bending modes of a cantilever beam with minor damage”, (2018) Sensors and Actuators A: Physical, 276 (2018) 155–164

A., Sagasti, N., Bouropoulos, D., Kouzoudis, A., Panagiotopoulos, E., Topoglidis and J., Gutiérrez, “Nanostructured ZnO in a Metglas/ZnO/Hemoglobin Modified Electrode to Detect the Oxidation of the Hemoglobin Simultaneously by Cyclic Voltammetry and Magnetoelastic Resonance”, Materials, Volume 10, Issue 8, July 2017, Page 849.

Tsukala, V., Kouzoudis, D., “Zeolite micromembrane fabrication on magnetoelastic material using electron beam lithography”, Microporous and Mesoporous Materials, Volume 197, October 2014, Pages 213-220

 

T. Baimpos, L. Gora, V. Nikolakis, and D.Kouzoudis, “Selective detection of hazardous VOCs using zeolite/Metglas composite sensors”, Sensors and Actuators, A: Physical,   Article in Press (2012)

Kouzoudis D, “Proof of the phase coherence in the Bardeen-Cooper-Schrieffer theory of superconductivity from first principles”, European Journal of Physics 31 (2010)  239-248

T. Baimpos, V. Nikolakis, and D. Kouzoudis, “Measurement of the elastic properties of zeolite films using Metglas-zeolite composite sensors”, Studies in Surface Science and Catalysis 174 (suppl. part A), pp. 665-668.

D. Kouzoudis and C. A. Grimes, Invited Paper, "Remote query fluid-flow measurement using magnetoelastic thick-film sensors," J. Appl. Phys 87 (2000)

Πλήρης Λίστα Δημοσιεύσεων:
Πλήρες Βιογραφικό:

Μαθήματα